弹簧片零件的大变形分析.docx

CopyrightANSYS教学算例集弹簧片零件的大变形及应力分析撰写：孟志华审核：校对：2018年09月30日关键字：板壳单元、几何非线性、大变形、收敛问题算例来源：安世亚太科技股份有限公司目录1 .摘要12 .案例描述13 .操作步骤23.1. 打开ANSYSWorkbench,导入已有文件23.2. 检查确认材料的力学属性33.3. 进入MeChaniCaL赋予材料及网格划分43.4. 施加载荷和边界条件635静力分析求解83.6. 线性分析结果查看83.7. 改为几何非线性求解103.8. 非线性分析结果查看134.分析小结141 .摘要本算例对一个弹簧片进行非线性大变形分析。在ANSYSMeChaniCal软件中进行模型导入、网格划分、载荷约束施加，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力，校核板壳的位移是否满足要求。其中，MeChaniCal默认对板壳单元使用ShenI81单元，适合模拟薄壳到中等厚度壳。由于簧片的厚度较薄，变形量较大。因此，在本例题中，除了使用板壳单元181建模外，还应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待。本例适合于初学者快速了解非线性问题的基本分析过程，并了解几何非线性的设置操作。2 .案例描述弹簧片零件结构如图，材料为ANSYS内置的钢材料，一端承受均布力荷载，另一端有固定约束。由于结构的厚度远小于长度和宽度方向，可以用板壳单元模拟，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力。3 .操作步骤3.1. 打开ANSYSWorkbench,导入已有文件首先启动ANSYSWorkbench环境。(1)导入已有的WOrkbenCh文件包：在WOrkbenCh界面的顶部【File】菜单中，使用“RestoreArchive.”菜单,指定本算例文件“SNLWS2apring.wbpz”及路径,解压并打开文件。在系统提示保存时，选择“保存”。提示：.WbPz,是ANSYSWOrkbenCh的一种压缩文件格式,压缩文件内包含了所有的仿真项目及必要的过程文件。该文件不能直接用“Open”打开,而是用“RestoreArchive”解压打开。在解压打开时,必须接受“保存"为.wbpj文件和同名文件夹,以便继续完成操作。八Shell-Disk-Workbench(2)检查确认导入的WbPZ文件：在WorkberICh界面中，导入文件后，在GUl视窗中，可以看到已经创建了一个“静力分析”的项目及过程。FileViewToolsUnitsExtensionsJobsHelp回国画画S_FJQImport.uReconnectRefreshProject/UpdateProjectJjACTStartPageTootx)xProject Schematic日 Analysis SystemsDesignAssessment EigenvaIueBuckIing ElectricExplicit DynamicsFluid FIow(CFX) Fluid Flow(Fluent) HannonicAcoustks HarmonicResponse Hydrodynamic Diffracbon Hydrodynamic Response IC Engine (Fluent) Magnetostabc苍 Static Structural (ANSYS)2 Engineering DataVZ /3 ® GeometryJ /SetupSolutionResultsStatic Structural (ANSYS)3.2. 检查确认材料的力学属性提示：ANSYSMeChaniCal在WOrkbenCh环境中，提供了一些钢、铝等常用材料库，在EngineeringDataI可以设置、修改、或创建材料。而且，ANSYSMechanical默认将所有单元设置为低碳钢材料。(1)在ProjectSchematic视窗栏目中，双击静力分析过程的【EngineeringData】栏目，则进入材料数据的设置和修改、创建页面。(2)检查“structuralsteel”材料属性：点击默认的“structuralsteel”材料，可以看到下面的材料力学属性表格。结构有限元分析最基本的材料力学属性为杨氏模量、泊松比等，对于材料非线性分析，则需要添加和定制更多的材料本构关系。27C4fflprVMT< Mm S*WQtt I OV, 工 *iLeM尼川(3)直接关闭EngineeringData页签，回到WOrkbenCh的起始页面(主页面)。3.3. 进入Mechanicalr赋予材料及网格划分(1)打开ANSYSMechanical模块：在Workbench起始界面，找到项目流程ProjectSchematic窗口下的静力分析过程，双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYSMeChaniCal模块的界面。在本例题中，Geometry】栏的几何模型，已经创建好，读者无需操作。提示:在MeChaniCcd的界面下,将完成除几何建模和清理之外的网格划分、赋予材料、施加荷载和约束、求解控制、后处理等工作。FileViewToolsUnitsExtensionsJobsHelpE国画画®ProjectImPort.ReconnectRefreshProject/UpdateProjectACTStartPageToolbox5hemacAnalysisSystemsDesignAssessmentEigenvaIueBuckIingElectricBlicitDynamicsFluidFIow(CFX)FluidFlow(Fluent)HannonicAcousticsHarmonicResponseHydrodynamicDiffractionHydrodynamicResponseICEngine(Fluent)Magnetostatic遹StaticStructural(ANSYS)StaticStructural(ANSYS)70Results2EngineeringDatavz/3鲍Geometry,/4睁MOdd77(1)修改单位制：在MeCharIiCaI界面的顶部菜单栏，设置单位制【Units】为毫米、公斤、牛的单位制。UnitsMetric(mr3MSV,A)11S,Metric(c11X9dyne,s,V,A)Itric(mgMXeV,mA)(mm,NrmV,mA)Metric(mm,<UM2mV,mA)Metric(m.kgH,V.mA)US.Customxy(flbrrfcf,eF,tV,A)U.S.Customicy(m.Ibr11lbf,FrV,A)JDegreesFld<m(2)检查确认板壳结构的材料和厚度：在MeChaniCal的左侧目录树Outline下，依次找到【Project】-Model-Geometry,左键点中“surfacebody”零件，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为该零件赋予材料或设置其他属性。找到细节设置面板下的【Material】-Assignment,确认是系统默认材料structuralSteeL找到细节设置面板下【Thickness】栏，确认此处的板壳厚度为1mm。（3）定义网格划分方法及尺寸：本例题中，簧片模型规则，可以自动划分扫掠的四边形板壳网格，读者可以不做修改。（4）生成网格：在目录树【Outline】下，找到-【Mesh】，鼠标右键，在弹出菜单中选择IGenerateMeshI即可完成网格划分。划分网格后的网格数量、质量等信息，可以在选中-【Mesh】下的细节设置面板中查看。3.4. 施加载荷和边界条件本案例需要添加两类边界条件，一类为均布推力载荷，一类为固定约束。（1）施加均布推力载荷：例题中的目录树中，已经添加并定义了【Force】力载荷，并定义了作用区域和数值。如下图，无需修改。SjModel(A4)Geometry-十tSurfaceBody由一Materials国,W<CoordinateSystems,阿MeShP11StaticStructural(A5)AnalysisSettingsFixedSupportForCejSolution(A6)SolutonInformationTotalDeformationEqurvalentStressJ Force: 250. NScop«Scoping MethodGeometry SelectionGeometry1 EdgeDefinitionTypeForceDefine ByComponentsCoordinate SystemGlobal Coordinate System X Component250. N (ramped)Y Component0. N (ramped)Z Component0. N (ramped)SuppressedNoDetails of "Force"qGeomeryIXPrint PreVieW入 RepOrt Preview/Graph(2)施加固定约束：例题中的目录树中，已经添加并定义了FixedSupport固定约束，并定义了约束作用的区域和数值。如下图，无需修改。SiProjectl-j(Model(A4)d(ZGGeometry三8¾SirfaceBody田冠MaterialsBxxCoordinateSystemsw>MeshQStaticStructural(A5)，啰AnalySiSSettrgS¾FixedSupportSForceSolution(A6)!”yfflSolUtjonInfbrmabon.eTotalDeformatjonEquivalentStressDetailsof'AxedSupportaQBScopeScopingMethodGeometrySelectionGeometry1EdgeBDefinitionTypeFixedSupportSuppressedNo3.5. 静力分析求解第一次的求解，为常规的静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。直接在左边目录树Outlines中找到需要求解的静力分析工况，即-【StaticStructural,在【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选SOIVe,进行求解。3.6. 线性分析结果查看计算完成后，(1)添加并查看VOnmiSeS应力结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，点鼠标右键，在弹出菜单选择-【insert】-stress-Equivalentstress/Von-mises,即可在Solution栏下插入一个